Водородный двигатель внутреннего сгорания?! // Engineering Explained
Видеопортал Engineering Explained рассказывает о проекте Toyota по созданию альтернативы новым электромобилям с минимальными выбросами и задает вопрос — сможет ли компания добиться контролируемого сжигания водорода? Toyota разработала водородный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), преобразовав обычный бензиновый двигатель в водородный. Образующаяся при сжигании водорода вода является основным источником выбросов. В проекте участвовал автомобиль Toyota Corolla Sport с трехцилиндровым турбомотором 1,6 л от модели GR Yaris, который был протестирован в 24-часовой гонке.
Один из инженеров проекта говорит: «Для этого водородного двигателя сам двигатель остается таким же, как и раньше. Наша концепция состояла в том, чтобы создать водородный двигатель, используя как можно больше существующих технологий внутреннего сгорания. Мы думали, что достижение этого позволит перевести существующие автомобильные двигатели на водород, что станет мощным оружием в борьбе за углеродную нейтральность».
Источник: Engineering Explained.
Автомобили с водородными поршневыми двигателями Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»
ВОДОРОДНЫЕ И БЕНЗОВОДОРОДНЫЕ АВТОМОБИЛИ / АДАПТАЦИЯ ДЛЯ РАБОТЫ НА ВОДОРОДЕ СЕРИЙНЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ / HYDROGEN USAGE ON COMMERCIAL GASOLINE ENGINES ADAPTATION / СИСТЕМЫ ХРАНЕНИЯ ВОДОРОДА НА БОРТУ / ГИДРИДНЫЕ АККУМУЛЯТОРЫ ВОДОРОДА / HYDROGEN STORAGE SYSTEMS ON A BOARD / ДВИГАТЕЛЬ СТИРЛИНГА / ВОДОРОДНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ВАНКЕЛЯ / STIRLING ENGINE / WANKEL HYDROGEN ENGINE / HYDROGEN AND PETROL-HYDROGEN VEHICLES / HYBRID HYDROGEN BATTERIES
Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Козлов Сергей Иванович, Фатеев Владимир Николаевич, Люгай Станислав Владимирович
Приводятся описания выполненных систем хранения газообразного и жидкого водорода на борту (в том числе и с металлогидридными аккумуляторами), мероприятий по адаптации двигателей к работе на водороде и предупреждению обратных вспышек. Представлены системы подачи газообразного и жидкого водорода в двигатель автобуса и легковых автомобилей, системы регулирования водородных двигателей, а также результаты стендовых и дорожных испытаний автомобилей с водородными двигателями на токсичность отработавших газов и экономичность. Описаны экспериментальные работы по водородному питанию обычных поршневых двигателей компаний BMW, Ford, Mazda (с двигателем Ф. Ванкеля), а также перспективы применения водорода в двигателях Стирлинга.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Козлов Сергей Иванович, Фатеев Владимир Николаевич, Люгай Станислав Владимирович
Водородные электрохимические системы для транспорта
Экспериментальный образец водородного автомобиля на базе модели Газ-2705
Повышение эффективности рабочего процесса бензиновых двигателей применением топливо-водородных смесей
Генерирование водородосодержащего газа на борту транспортного средства
Транспортировка водорода
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Piston hydrogen vehicle engines
Descriptions of the gaseous and liquid hydrogen storage executed system on board ( including with MH rechargeable batteries), measures of engines on hydrogen adaption and preventing of backfires are adduced. Supply system of gaseous and liquid hydrogen into buses and light vehicles engines, the control system of hydrogen engines, and bench and road tests results of vehicles with hydrogen engines on exhaust emissions and economy are presented. BMW, Ford, Mazda(with Wankel engine) experimental work on hydrogen power conventional piston engines are characterized, as well as prospects of hydrogen usage in Stirling engines.
Текст научной работы на тему «Автомобили с водородными поршневыми двигателями»
Автомобили с водородными поршневыми двигателями
С.И. Козлов, профессор, д.т.н.,
B.Н. Фатеев, заместитель директора Центра физико-химических технологий НИЦ «Курчатовский институт», профессор, д.х.н.,
C.В. Люгай, директор Центра использования газа ООО «Газпром ВНИИГАЗ», к.т.н.
Приводятся описания выполненных систем хранения газообразного и жидкого водорода на борту (в том числе и с металлогидридными аккумуляторами), мероприятий по адаптации двигателей к работе на водороде и предупреждению обратных вспышек. Представлены системы подачи газообразного и жидкого водорода в двигатель автобуса и легковых автомобилей, системы регулирования водородных двигателей, а также результаты стендовых и дорожных испытаний автомобилей с водородными двигателями на токсичность отработавших газов и экономичность.
Описаны экспериментальные работы по водородному питанию обычных поршневых двигателей компаний ВМШ, Ford, Mazda (с двигателем Ф. Ванкеля), а также перспективы применения водорода в двигателях Стирлинга.
водородные и бензоводородные автомобили, адаптация для работы на водороде серийных бензиновых двигателей, системы хранения водорода на борту, гидридные аккумуляторы водорода, водородный двигатель Ванкеля, двигатель Стирлинга.
одородные автомобили делят на две группы: автомобили, в которых водород применяется как основное топливо, и автомобили, в которых водород используется в качестве добавки к жидкому или газообразному топливу.
В начальной стадии исследования по применению водорода проводились на серийных бензиновых двигателях, адаптированных для работы на водороде.
Классическим примером водородного автомобиля может служить
Транспорт на водороде
экспериментальный автобус «Лей-лэнд» и экспериментальный автомобиль UCLA Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе [1]. В автобусе «Лейлэнд» водород из баллонов подавался к двухступенчатому редуктору, где его давление снижалось до 0,562. 0,633 МПа, и далее к золотниковому распределителю, установленному на блоке цилиндров двигателя и приводившемуся в действие двойной роликовой цепью от дополнительного вала. Расход водорода регулировался специальным краном, установленным перед золотниковым распределителем и соединенным с педалью акселератора.
Пробная эксплуатация автобуса в пригородных условиях Лондона показала хорошую управляемость и приемистость двигателя при работе на водороде. Запас водорода обеспечивал автобусу пробег 113.129 км.
Автомобиль UCLA, предназначенный специально для условий городской эксплуатации, был создан на базе модели «Форд Босс» 1971 г. с двигателем V-8 рабочим объемом 5,75 л. Водород хранился при давлении 41 МПа в двух баллонах, расположенных за передними сидениями, массой по 136 кг. Вместимость баллонов по водороду составляла 1,36 кг в каждом. В двигатель водород подавался специальным газовым смесителем с предварительным снижением давления в двухступенчатом редукторе до 300 Па. Для повышения безопасности подача водорода осуществлялась только при наличии разряжения во впускном патрубке, для чего на водородной магистрали устанавливался электромагнитный
клапан, управляемый датчиком разряжения.
При переводе бензинового двигателя на водород была проведена его модификация — степень сжатия снижена с 11,9 до 8,9, установлен ограничитель температуры водо-родовоздушной смеси до 71 °С, изменены фазы газораспределения. Для предотвращения обратных вспышек смеси на впуске, снижения жесткости рабочего процесса и уменьшения эмиссии оксидов азота была применена 25%-я рециркуляция отработавших газов.
Рис. 1. Схема системы питания двигателя водородом автомобиля UCLA: 1 — водород из испарителя; 2 — регуляторы; 3 — манометр; 4 — давление водорода во впускном коллекторе; 5 — вторичный карбюратор газообразного топлива; 6 — модифицированный бензиновый карбюратор (впуск воды); 7 — сетка из нержавеющей стали; 8 — двигатель; 9 — первичный карбюратор газообразного топлива; 10 — подвод воды из системы охлаждения двигателя к водородному испарителю
Система питания двигателя состоит из двух стандартных газовых регуляторов фирмы YMPCO модели
РЕУ и двух смесителей СА 125 и СА 300 той же фирмы (рис. 1). Водород из подогревателя под избыточным давлением 35.. .225 кПа подается в спаренные регуляторы, а из них уже под давлением 3,0 кПа — в оба смесителя. Регулирование двигателя — количественное последовательным открытием дросселей первого и второго смесителей таким образом, что на частичных и средних нагрузках водо-родовоздушная смесь постоянного состава (а=2,2) подается только через первый смеситель.
Коэффициент избытка воздуха подбирался из условия достижения максимального эффективного КПД и минимальной эмиссии N0^. Второй смеситель вступает в работу после полного открытия дроссельной заслонки первого. Состав топливовоз-душной смеси второго смесителя также постоянный, но с коэффициентом избытка воздуха значительно меньше единицы. Потоки первого и второго смесителей перемешиваются во впускном коллекторе, образуя топли-вовоздушную смесь переменного состава с коэффициентом избытка воздуха от а=2,2 в начале открытия второго дросселя до а=1,0 при полном открытии обоих дросселей.
Для предупреждения обратных вспышек на впуске и снижения эмиссии оксидов азота на нагрузках, близких к полной мощности двигателя, между вторым смесителем и его дроссельной заслонкой установлен модифицированный бензиновый карбюратор для подачи воды. Поскольку расход воды через карбюратор определяется степенью открытия дроссельной заслонки, он всегда пропор-
ционален коэффициенту избытка воздуха и соответственно мощности двигателя.
Испытания автомобиля UCLA на топливную экономичность и токсичность отработавших газов по методике CVS-73 показали следующее: расход топлива составляет 1 кг водорода на 35 км, а запас водорода обеспечивает без заправки пробег всего лишь около 100 км; в отработавших газах отсутствуют такие компоненты как СО, СО и СН, а количество NO
составляет около 0,205 г/км. По динамическим качествам водородный автомобиль близок к базовому.
Для почтового ведомства США в Калифорнийском университете на базе серийного двигателя рабочим объемом 3,8 л был разработан проект автомобиля на жидком водороде [1]. Его отличием от ряда других является то, что в нем водород из криогенного бака подавался в подогреватель в газообразном состоянии под давлением 225 кПа. Избыточное давление в криогенном баке создавалось за счет подогрева жидкого водорода специальным электрическим подогревателем (рис. 2). Диаметр проволоки подогревателя подбирался из условий достижения на поверхности пузырькового кипения водорода. Проволока была намотана конусом на четырех пенопластовых опорных стойках, укрепленных эпоксидной смолой на конце отводной трубки.
Давление газообразного водорода в криогенном баке поддерживалось постоянным автоматически с помощью реостата, имеющего обратную связь по давлению. Во избежание повреждения внутренней части
Транспорт на водороде
криогенного бака при отсутствии в нем жидкого водорода подогреватель был снабжен защитой посредством параллельного включения специального низкотемпературного диода.
Рис. 2. Схема электрического подогревателя-испарителя: 1 — цепь датчика уровня топлива; 2 — цепь нагревателя; 3 — эпоксидная смола; 4 — отверстие для вентиляции при наполнении; 5 — подача и отбор жидкости; 6 — реле давления и манометр; 7 — диод
Модернизации включала следующие мероприятия: изменение характеристики регулятора опережения зажигания; уменьшение межэлектродного зазора свечи зажигания до 0,3 мм; улучшение изоляции высоковольтных проводов в системе зажигания; установление на двигателе специального распределителя зажигания, в котором для исключения зажигания от взаимоиндукции все свечи, кроме одной, соответствующей порядку работы цилиндров,
замыкаются на массу.
Принципиально иная схема водородного автомобиля была разработана исследовательской лабораторией двигателей технологического института в Токио [1]. Автомобиль «Датсун В-210» с четырехцилиндровым двигателем рабочим объемом 1,4 л имел систему питания жидким водородом. Такой подход реализуется также ведущими автостроительными компаниями — BMW, Ford и Mazda.
Адаптация стандартного двигателя под жидкий водород потребовала значительной его модернизации, которая предусматривала, прежде всего, разработку специального водоро-дораспределительного механизма для цикловой подачи водорода во впускные патрубки каждого цилиндра и коснулась также системы зажигания. Были применены устройство коррекции угла опережения зажигания в зависимости от коэффициента избытка воздуха и специальные свечи зажигания с повышенным калильным числом и специальной поверхностью изолятора. Для снижения уровня эмиссии углеводородов на поршнях двигателя были установлены специальные тройные маслосъемные кольца. Особо следует отметить, что несмотря на распространенное мнение о повышенной склонности водородо-воздушной смеси к детонационному сгоранию степень сжатия двигателя была увеличена с 8,5 до 9,5.
Особенностью системы питания двигателя водородом являлось то, что водород в двигатель подавался при температуре -130 °С, что по данным работы [2] приводит к снижению эмиссии оксидов азота
примерно на порядок и 30%-му приращению мощности за счет увеличения коэффициента наполнения двигателя. Для поддержания заданного температурного уровня газообразный водород из криогенного бака подавался к двигателю по трубопроводу с вакуумной термоизоляцией. Приборы системы питания, расположенные на двигателе, также имели высокоэффективную термоизоляцию. Подача водорода из криогенного бака к системе питания двигателя осуществлялась при избыточном давлении 0,6 МПа. Это давление в газовом объеме криогенного бака поддерживалось регулированием скорости испарения жидкого водорода путем отбора части водорода из газового объема, подогрева его в теплообменнике и последующей подачи насосом через днище криогенного бака в жидкую фазу. Такая схема регулирования скорости испарения водорода обеспечивала нормальную работу двигателя на всех режимах, включая переходные.
На автомобиле «Датсун В-210» было применено комбинированное регулирование мощности двигателя, сочетавшее качественное регулирование на больших и средних нагрузках (вплоть до а=1,7) и количественное — на малых нагрузках путем дросселирования двигателя при постоянном коэффициенте избытка воздуха (а=1,7). Дозирование водорода осуществлялось двумя последовательно установленными редукторами, один из которых обеспечивал изменение расхода в зависимости от скоростного режима работы двигателя с помощью специального вакуумного
насоса, а второй — в соответствии с нагрузкой двигателя от педали акселератора.
В процессе дорожных и стендовых испытаний автомобиля оценивалась топливная экономичность двигателя и уровень токсичности отработавших газов. Средний расход жидкого водорода с учетом потерь на испарение при хранении и заправке составил 25 л/100 км, а непосредственный расход двигателем -около 22 л, что обеспечивало автомобилю пробег на одной заправке примерно 1000 км. Топливная экономичность автомобиля в пересчете на бензиновый эквивалент составила 5,7.6,5 л/100 км.
Испытания автомобиля по городскому ездовому циклу показали, что в отработавших газах содержалось 0,05 г СН; 0,18 г СО; 2,56 г N0 на 1 км пробега. Наличие в отработавших газах углеводородов и оксидов углерода объясняется попаданием моторного масла в камеру сгорания через компрессорные кольца.
Большой практический интерес представляют водородные автомобили с металлогидридными аккумуляторами [3-6].
На рис. 3 представлена принципиальная схема топливной системы отечественного бензоводородного автомобиля ГАЗ-24 «Волга» [1] с гидрид-ным аккумулятором водорода, который хранится на автомобиле в аккумуляторе 5 в связанном состоянии в виде гидрида FeTiHх . При подогреве гидридных патронов 6 отработавшими газами гидрид диссоциирует, выделяя водород, который собирается в накопительной емкости 7.
Транспорт на водороде
Равновесное давление водорода над гидридом, а следовательно и в наполнительной емкости, поддерживается автоматически в пределах 0,6.0,7 МПа изменением расхода отработавших газов через аккумулятор с помощью распределителя 16, имеющего обратную связь по давлению водорода в накопительной емкости.
Рис. 3. Принципиальная схема системы питания бензоводородного автомобиля с металло-гидридным аккумулятором водорода: 1 — двигатель; 2 — карбюратор-смеситель; 3 — регулятор расхода водорода; 4 — редуктор давления; 5 — гидридный аккумулятор; 6 — элемент гидридного аккумулятора; 7 — накопительная емкость; 8 — электронный блок управления; 9 — общий электромагнитный клапан; 10 — рабочий электромагнитный клапан; 11 — привод заслонки смесителя; 12 — датчик давления; 13 — датчик положения дроссельной заслонки карбюратора;
14 — тумблер включения блока управления;
15 — замок зажигания; 16 — регулятор расхода ОГ; 17 — глушитель; 18 — манометр; 19 — указатель температуры ОГ в гидридном аккумуляторе; 20 — заправочный вентиль; 21 — регулируемый жиклер холостого хода; 22 — запорный вентиль; 23 — клапан аварийного сброса давления; 24 — продувочный вентиль; 25 -контрольная лампа; 26 — заправочный штуцер
Водород из накопительной емкости через запорный вентиль 22 подается к системе питания двигателя, состоящей из карбюратора-смесителя 2, всережимного регулятора расхода водорода 3, понижающего редуктора 4, электронного блока отключения подачи водорода
8 с электромагнитными клапанами
9 и 10 и регулируемого жиклера холостого хода 21.
Перевод двигателя с бензина на смесь бензина с водородом осуществляется включением тумблера 14, однако это возможно лишь при давлении в наполнительной емкости выше 0,1 МПа. При более низком давлении реле давления 12 блокирует включение электромагнитного блока и исключает возможность перевода двигателя на смесь бензина с водородом.
В России разработана бензоводо-родная система питания и переоборудованы двигатели микроавтобуса ГАЗель (рис. 4й) и грузовой ГАЗели (рис. 4б) [7].
Экспериментами по водородному питанию обычных поршневых двигателей серьезно занимается фирма BMW [8]. Этой компанией разработана модель 745h (рис. 5), оснащенная восьмицилиндровым двигателем на водороде. Машина может работать как на бензине, так и на водороде. Двигатель объемом 4,4 л развивает мощность в 135 кВт, максимальная скорость равна 215 км/ч. Запаса водородного топлива хватает на 300 км пробега, если добавить к этому 650 км, которые можно проехать, заправив полный бак бензина, получаем почти 1000 км. Последняя разработка компании BMW —
Рис. 4. Бензоводородные микроавтобус ГАЗель (а) и грузовая ГАЗель (б)
экспериментальный седан 750^ с двигателем на водородном топливе. Разработчиков привлекла эколо-гичность двигателя — он выделяет только водяной пар.
Рис. 5. Автомобиль BMW 745h с ДВС на водороде
Рис. 6. Водородный автомобиль Ford Focus
Разработкой водородных машин занимается и компания Ford [9, 10].
В европейском исследовательском центре в Аахене (Германия) построен компактвэн Ford Focus C-Max H2 ICE c четырехцилиндровым двигателем объемом 2,3 л, работающим на водороде (рис. 6).
Падение мощности компенсировано наддувом, двигатель оснащен нагнетателем с приводом от коленчатого вала и двумя охладителями наддувочного воздуха. Сжатый и охлажденный воздух смешивается с водородом во впускном коллекторе и поступает в цилиндры. Двигатель развивает мощность 81 кВт, а запаса газа в трех баллонах общим объемом 119 л (примерно 3 кг сжатого Н2) хватает на 200 км пробега. Перед подачей газа к двигателю два редуктора снижают давление с 35,0 до 0,55 МПа. Газовая аппаратура позволяет изменять состав смеси в очень широких пределах — от очень бедной с 4 % Н2 до очень богатой, где водорода 70 %. Это необходимо для получения низкого расхода топлива и регулирования состава выхлопных газов.
На рис. 7 показан водородный автомобиль фирмы Mazda, разработанный на базе RX-8 с роторным двигателем [11].
Транспорт на водороде
Рис. 7. Mazda RX-8 Hydrogen RE с водородным двигателем Ванкеля
Мощность роторного двигателя (рис. 8) Mazda RX-8 Hydrogen RE при работе на водороде составляет 80 кВт, на бензине 154 кВт.
Рис. 8. Водородный двигатель Ванкеля автомобиля Mazda RX-8 Hydrogen RE
Одной водородной заправки Mazda RX-8 Hydrogen RE хватает на 100 км пробега, суммарный пробег на водороде и бензине составляет 650 км.
Перспективным представляется также новое направление в двигате-лестроении на водородном топливе, основанное на применении двигателя Стирлинга (рис. 9) [12].
Рис. 9. Водородный двигатель Стирлинга
Этот двигатель до конца XX в. широко не применялся на автотранспорте из-за более сложной конструкции по сравнению с обычным двигателем внутреннего сгорания, большей материалоемкости и стоимости. Однако в последнее время в ведущих мировых обзорах по энер-гопреобразующей технике двигатель Стирлинга рассматривается как обладающий наибольшими возможностями для дальнейшей разработки с целью применения водорода в качестве моторного топлива. Низкий уровень шума, большой ресурс, сравнимые размеры и масса, хорошие характеристики крутящего момента — все эти параметры могут обеспечить его конкурентоспособность. Достигнутые в настоящее время КПД в опытных образцах двигателей Стирлин-га даже при умеренных температурах нагрева (600.700 °С) характеризуются весьма внушительными цифрами — до 40 %. В лучших образцах двигателей Стирлинга удельная масса составляет 1,2.3 кг/кВт, а эффективный КПД до 45 % [11].
1. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. —
Киев : Наукова думка, 1984. — С. 141. 23
2. Галышев Ю.В. Применение водорода в качестве моторного топлива // Турбины и дизели. — 2007. — С. 8-12.
3. Eichlseder H, Wallner T, Freyman R, Ringler J. The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario // SAE paper 2003. — 2003-01-2267.
4. Мищенко А.И. Применение водорода для автомобильных двигателей. -Киев : Наукова думка, 1984. — С. 141.
5. Das LM. Hydrogen engines: a view of the past and a look into the future // Int J Hydrogen Energy 1990; 15: 425-43.
6. Eichlseder H, Wallner T, Freyman R, Ringler J. The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario // SAE paper 2003. — 2003-01-2267.
7. Раменский А.Ю., Шелищ П.Б., Нефедкин С.И. Применение водорода в качестве моторного топлива для автомобильных двигателей внутреннего сгорания. История, настоящее и перспективы // Альтернативная энергетика и экология. — 2006. — № 11 (43). — С. 63-70.
8. BMW Hydrogen 7: the first premium saloon with a bivalent internal combustion engine. Furst,S., Grater, A., Pehr K.,2007 / SAE Annual Spring Congress, 23-25 May 2007, Pacifico, Yokohama, Japan.
9. Алемасов В.Е., Дрегалин А.Ф., Тишин А.П., Худяков В.А. Термо-динамические и теплофизические свойства продуктов сгорания. — М. : Изд-во АН СССР, 1971. — Т. 1. — 266 с.
10. Мост В. Взрывы и горение в газах. — М. : Изд-во иностр. лит., 1952. — 687 с.
11. Lewis B, von Elbe G. Combustion, flames, and explosions of gases. Orlando, Fl: Academic Press, 1987.
12. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания. — М. : Машиностроение, 1981. — 160 с.
Михаил Лихачев возглавил «Газпром газомоторное топливо»
i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
В январе председателем правления — генеральным директором ООО «Газпром газомоторное топливо» назначен Михаил Лихачев.
Михаил Лихачев родился в 1971 г. в Ленинградской области. В 1994 г. окончил Балтийский государственный технический университет им. Д.Ф. Устинова. В 2009 г. получил степень MBA в Международном университете в Москве.
В 2003-2011 гг. — начальник департамента труб и соединительных деталей ООО «Газпром комплектация». В 20112014 гг. — заместитель генерального директора по управлению поставками ООО «Газпром комплектация».
Михаил Лихачев сменил на должности председателя правления — генерального директора ООО «Газпром газомоторное топливо» Виктора Зубкова, который является Председателем Совета директоров ОАО «Газпром».
Управление информации ОАО «Газпром»
Водородный транспорт — хорошая идея только в теории
Я очень хочу потыкать острой палкой в идею об электрических автомобилях на водородных топливных элементах (ТЭ). Некоторые люди совершенно очарованы этой идеей. Как можно не очароваться? На вход подается водород, абсолютно «чистое» топливо, а на выходе получается только вода или пар, и никакого углекислого газа, оксидов азота, сажи, и т. д. Водородный двигатель — тихий и компактный. Это не тепловой двигатель, и поэтому на него не распространяются жесткие ограничения цикла Карно. Заправка очень быстрая и не сильно сложнее чем обычная бензиновая заправка.
Кроме того, если вы — нефтяная компания, и спрос на бензин и дизель начнет уменьшаться, вы только что обнаружили новое топливо, которое можно продавать! Вы спасены!
Если вы живете в частном доме и хотите потреблять меньше энергии, вы думаете что можете делать водород из воды используя электричество от солнечных панелей на крыше, убивая сразу двух зайцев: вы получаете топливо для вашей машины и запасаете излишки энергии от солнечной генерации, с помощью единственной магической технологии. Звучит потрясающе!
К сожалению, дьявол кроется в деталях, и он не то чтобы сильно прячется, если вы будете смотреть внимательно.
В моей предыдущей статье я обсуждал эффективность в энергетических циклах двигателей внутреннего сгорания и электрических автомобилей. Я буду ссылаться на результаты из этой статьи когда буду делать предположения об электрических автомобилях на топливных элементах (fuel cell electric vehicle, FCEV). Я буду делать аналогичные допущения и использовать похожие источники.
Дисклеймер: я упомянут в нескольких патентах компании Texaco о получении водорода из природного газа для подачи на протонообменную мембрану (ПОМ, ПЭМ) топливных элементов (теперь патенты принадлежат Chevron, которая поглотила Texaco). Я занимался водородом еще с институтских времен, и примерно каждый второй проект на протяжении десятилетий, которые я провел в компании Zeton, включал в себя водород или синтез-газ.
Однако, еще раз хочу четко сказать: водород это прекрасная идея — в теории. Но большая проблема с водородом заключается. в самой молекуле водорода. Никакие изобретения или технологии не решат эту проблему.
Давайте разбирать цепочку эффективности электрического транспорта на водородных топливных элементах этап за этапом, также как мы делали с двигателем внутреннего сгорания и электрическими машинами на аккумуляторах (battery electric vehicle, BEV).
Производство водорода
КПД самого производства водорода — примерно 70%, в лучшем случае, к сожалению. Я недавно [статья 2017 года — прим. перев.] разговаривал с Hydrogenics, большим производителем щелочных и ПЭМ-электролизеров. Эффективность их более дешевых щелочных электролизеров — примерно 60%, а эффективность ПЭМ-электролизеров — 70%, когда он работает на минимальном токе. (Вы можете делать гораздо больше водорода на этом же приборе просто увеличив ток, но жертвуя эффективностью.) Это достаточно близко к теоретическому пределу эффективности электролиза — ~83%, которая получается, если поделить низшую теплоту сгорания (HTC) получаемого водорода на энергию затрачиваемую на электролиз. Мы не вернем эту потерю в топливном элементе потому что мы не используем теплоту конденсации водяного пара.
Большинство производителей электролизеров указывают КПД в расчете на высшую теплоту сгорания (ВТС), то есть включая теплоту конденсации пара. В этом случае 70% (НТС) КПД электролизеров превращаются в примерно 83% (ВТС).
Проблема электролиза в том, что часть энергии очевидно идет на создание молекул кислорода. Это может быть полезно в больших системах, которые могут собирать и сжимать чистый кислород (который затем можно продавать), либо если водород используется не как топливо, а как сырье в технологическом процессе, и этот процесс также использует кислород. К сожалению, водородная заправка не будет использовать кислород, она будет просто выпускать его в воздух.
Поэтому давайте остановимся на 70% (НТС) КПД конвертации электричества в водород, предположительно, электричества от возобновляемых источников (ВИЭ). Если совсем строго, мы еще должны учесть 6% потерь в электросети от источника электричества до электролизера.
70% КПД электролиза почти совпадает с наивысшей доступной на данный момент эффективностью технологии получения водорода из природного газа, парового риформинга (паровой конверсии) метана (steam methane reforming, SMR). Большие установки повышают эффективность, утилизируя теплоту продуктов процесса и сжигая побочные газы после очистки водорода.
Максимально чистый водород нужен, чтобы увеличить эффективность и долговечность топливных элементов. Они очень чувствительны к угарному газу, который уменьшает эффективность платинового катализатора в топливном элементе (то есть, является каталитическим ядом). К сожалению, невозможно конвертировать углеводороды в водород, не получив на выходе также какое-то количество угарного газа. Более того, сам катализатор может преобразовать углекислый газ в угарный газ, поэтому водородное топливо должно быть полностью очищено от обоих газов. Даже инертные газы, такие как аргон и азот, уменьшают эффективность ПЭМ-топливного элемента, потому что надо позаботиться об их выводе на аноде. Поэтому реальные топливные элементы требуют очень чистый водород: посмотрите на спецификации ПЭМ-топливных элементов производства Ballard, Plug Power, и других.
К сожалению, эффективность паровой конверсии метана стремительно падает с уменьшением установки. Тепловые потери увеличиваются, что имеет особенно большое значение в таком высокотемпературном процессе как паровая конверсия. Вы быстро обнаружите это когда попробуете спроектировать процесс для относительно небольшой водородной заправки.
Доставка природного газа по трубопроводам к установке по паровой конверсии в водород и последующая доставка водорода от централизованной установки к заправкам скорее всего будет стоить больше чем 6% от энергии конечного водорода, но давайте будем щедрыми и примем эти потери тоже за 6% чтобы делать меньше подсчетов (хотя, в конечном счете, это все равно будет неважно). Таким образом, вне зависимости от того, начинаем мы с электричества или с метана, мы приходим к 70%*94% ~= 66% КПД производства водорода, без существенных возможностей для улучшения потому что мы уже близки к термодинамическим пределам.
Стоит отметить что КПД электролиза горячего пара может казаться очень высоким (даже выше 100%), например, при использовании твердооксидного топливного элемента в реверсе. Естественно, при этом не учитывается работа по испарению воды и нагреву пара. Никто не использует электролиз пара если у него нет а) источника «бесплатного» пара и б) процесса в котором используется горячий водород или горячий кислород или желательно оба газа. Кроме того, как всякие высокотемпературные устройства, паровые электролизеры «не любят» работать с перерывами, поэтому вам также нужен стабильный круглосуточный источник электричества, а возобновляемые источники — не стабильные.
Хранение водорода
Теперь нам надо хранить водород, и загвоздка опять в самой молекуле. Хотя плотность энергии водорода на единицу массы очень большая, даже в форме криогенной жидкости (при температуре 24 выше абсолютного нуля) водород имеет плотность всего 71 кг/м3. Поэтому единственная практичная на данный момент форма хранения водорода для небольших машин — это газ высокого давления. Любые способы увеличения объемной плотности хранения водорода или уменьшения давления (например, гидриды металлов, абсорбенты, органические носители, и т. д.) или сильно увеличивают массу бака, или увеличивают потери водорода во время хранения, или требуют энергии для извлечения водорода. Я бы не рассчитывал на некий магический прорыв в этой области: у нас было тридцать лет на исследования с того момента, как водород стал всерьез рассматриваться как топливо.
Про опасность водорода хорошо известно, и в моей статье не будет картинки с дирижаблем «Гинденбург»! На самом деле, уже достаточно давно научились безопасно обращаться с водородом в промышленности если использовать разные меры предосторожности. Но я не хочу, чтобы мои соседи даже думали о производстве водорода под давлением 400 или 600 атмосфер с помощью своих домашних солнечных панелей. Это кажется мне кошмарной идеей по многим причинам.
Чтобы сжать водород с давления ~20 атмосфер на выходе с установки по паровой конверсии из метана или с примерно атмосферного давления (на выходе из некоторых электролизеров) до 400 атмосфер надо потратить энергию, обычно электричество. К сожалению, мы вынуждены рассеивать тепло от сжатия водорода на достаточно низкой температуре чтобы сберечь элементы компрессора, и поэтому это тепло трудно как-то использовать. Более того, давление в баке на заправке может снизиться с 400 атмосфер только до 395 во время заправки одной машины, поэтому вся работа по сжатию делается при самом высоком коэффициенте сжатия [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. Бак на заправке должен быть очень большим. В противном случае, требования заправляющего компрессора или ограничения по переносу тепла могут уменьшить скорость заправки (ведь мы помним, что скорость заправки — чуть ли не главная причина, по которой нам интересен водород в качестве топлива для транспорта!).
На большом масштабе, с гигантскими компрессорными агрегатами, можно хранить водород под большим давлением теряя не больше 10% от теплоты сгорания (НТС) хранимого водорода на работу компрессоров, что, на самом деле, удивительно хорошо, учитывая вышесказанное. (Заметим, что политропный КПД самих компрессоров — это лишь малая часть этих потерь. Мы смотрим на другую меру эффективности.) К сожалению, когда мы уменьшаем размер компрессоров, эффективность улетает вниз. Многоступенчатый диафрагменный компрессор для автомобиля может потреблять до половины энергии сжимаемого водорода или даже больше. При уменьшении масштаба также растут капитальные расходы в расчете на единицу энергии проходящей через установку на протяжении ее жизненного цикла. Прискорбно, что транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична по той же причине, по которой его тяжело хранить — свойства молекулы. [Тут автор не развивает мысль почему транспортировка водорода на большие расстояния нереалистична, но в другой статье он пишет, что доставка водорода по трубопроводам требует в три раза больше энергии, чем доставка природного газа, на единицу переносимой энергии — прим. перев.] Все мечты о «водородной экономике» предполагают малые и распределенные системы производства водорода, так что мы не должны гонять водород с места на место, что оставляет нам только один реалистичный вариант: электролиз.
Таким образом, у нас остается 70% (производство) * 94% (потери в электросети или на работу трубопровода) * 90% (хранение под высоким давлением) = 59% КПД от исходной энергии до бака автомобиля. Для сравнения, для бензина этот показатель — 80%. Конечно, мы не будем использовать водород в неэффективном двигателе внутреннего сгорания как замену бензину, особенно если водород получен из углеводородов: мы бы лучше просто сжигали эти углеводороды в ДВС напрямую.
Если нас заботят выхлопы парниковых газов, производство водорода из метана точно не решает проблему [см. недавнюю статью «Насколько чист «голубой» водород?» на эту тему — прим. перев.]. Мы бы лучше просто ездили на Приусах. Электролиз с использованием электричества из возобновляемых источников — это единственный возможный вариант.
Топливный элемент с протонообменной мембраной
Печально, но мы все еще не закончили терять энергию — далее идут потери в топливном элементе. Хотя это и не тепловой двигатель, топливный элемент все равно имеет собственные термодинамические пределы. Топливные элементы достигают эффективности в 50–60%, и это недалеко от теоретического предела в 83% для идеального топливного элемента.
Давайте будем щедрыми и возьмем 60% как КПД топливного элемента. Реальные ТЭ которые можно купить имеют эффективность около 50% — лучше, чем у небольшого двигателя, примерно так же, как у судовых двигателей или стационарных скоростных двигателей, или у газовых турбин.
Вся цепочка, от источника энергии до колес
Учитывая эффективность электрического инвертора и мотора (90%), общая эффективность «от электростанции до колес» — 94%*70%*90%*60%*90% = 32%. Напомню, что по показателю «от скважины до колес», Приус достиг эффективности 30% на бензине, то есть мы «сделали» Приус, и это без вредных выхлопов. И с быстрой заправкой. Ура! Ура.
Мой самодельный электрический автомобиль, «E-Fire», имеет эффективность 76.5%. и тоже не дает никаких выхлопов. [Источник этой оценки неясен: если автор берет такие же потери в инверторе, моторе, и электросети, его батарея должна иметь КПД 90%. — прим. перев.] несмотря на очень маленькую батарею по нынешним стандартам, всего 18.5 кВч, этого хватает на мою дорогу до работы и обратно. Я уже проехал на этой машине 20 тыс. км. без парниковых выхлопов, и я никогда не ждал ее зарядки: я заряжаю ее один раз ночью, и один раз утром на работе. Эта машина не делает всего того, что делает машина с ДВС, не пытается, и не должна этого делать.
Капитальные затраты на водородный стек
Таким образом, электромобили на топливных элементах (FCEV) в лучшем случае примерно в 2.4 раза хуже чем лучшая доступная сейчас альтернативная технология, электромобили на аккумуляторах (BEV). Взамен мы получаем более быструю заправку и, возможно, немного большую дальность хода на одной заправке, и это все. Не слишком ли высока цена за немного большее удобство? Хотя, подождите, мы ведь даже не начали говорить о цене.
Водород это очень дорогое топливо, с любой точки зрения.
В 2.4 раза худшая эффективность транспорта на топливных элементах означает что мы должны установить в 2.4 раза больше генерирующих мощностей из возобновляемых источников. Сам по себе этот факт должен заставить сторонников водорода задуматься.
Мы также должны построить инфраструктуру по распределению водорода. Вы не будете заправляться водородом дома, это слишком огнеопасно. Это значит что кто-то должен заняться этой инфраструктурой как бизнесом, но никто не захочет это делать потому что на этом не получится заработать.
Наконец, давайте посмотрим на сам электромобиль на ТЭ. В нем, конечно, должен быть бак для водорода и топливные элементы. А также все остальные части обычных электромобилей, включая аккумулятор! Аккумулятор будет меньше, ближе по размеру к аккумуляторам в гибридах, но он все равно нужен чтобы было куда девать энергию от рекуперативного торможения, чтобы управлять потребностями в системе топливных элементов чтобы уменьшить ее стоимость. Батарея также нужна во время старта и выключения топливных элементов. Таким образом, электромобиль на ТЭ — это гибрид.
В дополнение ко всему вышесказанному, сами топливные элементы по-прежнему очень дороги. Хотя цены однозначно снизятся с началом массового использования и производства, также как сейчас снижаются цены на литий-ионные аккумуляторы, металлы платиновой группы (МПГ), такие как платина и палладий, используемые в катализаторах топливных элементов, не позволят ценам упасть слишком сильно. Уменьшите долю МПГ, и топливные элементы станут еще более чувствительными к примесям в водороде, и, я подозреваю, эффективность упадет. Замените МПГ на более дешевые металлы, такие как никель, и большая часть преимуществ топливных элементов пропадет: они должны будут работать при более высоких температурах, и т. д.
Означает ли это, что водород — это мертвая идея для персональных электромобилей? Одним словом, на мой взгляд, ДА. Я полностью согласен с Илоном Маском в этом вопросе. Разве что, уточнив, что мы говорим не о мире в котором электричество ничего не стоит, или его цена даже становится отрицательной потому что генерация из возобновляемых источников становится такой дешевой что не требует вообще никаких денежных вложений. Но я готов поспорить, что а) этого никогда не произойдет, б) даже если мы приблизимся к этой странной экономической ситуации, капитальные затраты и другие практические проблемы с электролизерами, компрессорами, резервуарами для хранения и топливными элементами все равно полностью убьют идею.
Сравнение двух реальных автомобилей которые можно купить (по крайней мере, в Калифорнии) показывает, что мои оценки оптимистичны в пользу водорода. Для автомобилей с аналогичными характеристиками и дальностью хода, водородный автомобиль потребляет в 3.2 раза больше энергии и стоит в 5.4 раза больше в расчете на проеханный километр:
Конечно, обе технологии будут улучшены в будущем, но расчеты выше по тексту задают пределы. Невозможно преодолеть законы термодинамики неким хитрым изобретением или принимая желаемое за действительное.
Означает ли все это, что топливные элементы вообще не нужны? Вовсе нет! Существуют устоявшиеся области в которых ПЭМ-топливные элементы имеют смысл, но это лишь те ситуации, где энергоэффективность гораздо менее важна, чем, например, быстрая заправка. Таким образом, Plug Power находит свою нишу на рынке складских вилочных погрузчиков, особенно на охлаждаемых складах.
То же самое относится к так называемым «power to gas» (P2G) схемам. Это совсем другая модель: они используют «избыточную» возобновляемую электроэнергию для производства водорода, который затем под низким давлением подмешивается в газовую сеть, где в конечном итоге используется для производства тепла, часто в устройствах, которые в конечном итоге рекуперируют тепло конденсации водяного пара (продукта горения водорода). Как средство хранения электроэнергии схемы P2G настолько смехотворно неэффективны, что о них даже не стоит говорить, но зато они требуют лишь небольших капитальных вложений и сокращают выбросы парниковых газов, когда водород вытесняет метан. Это не так уж и плохо, если только вы не сделаете вывод, что однажды мы ПОЛНОСТЬЮ заменим природный газ водородом. Это будет очень глупо.
Другие применения водорода на транспорте
На данный момент, в некоторых видах транспорта: самолеты, поезда, суда, аккумуляторы практически или совсем неприменимы. Главный вопрос в этих случаях стоит так: насколько мы заботимся о токсичных выбросах? Если они волнуют нас больше всего, водород — единственные решение. Но если мы больше думаем о парниковом эффекте, мы также можем использовать биотопливо как альтернативу водороду. [При сжигании биотоплива в воздух попадает углекислый газ, но этот углерод был извлечен из атмосферы самими растениями в течение предыдущего года, поэтому общий атмосферный баланс не нарушается — прим. перев.] Для самолетов биотопливо, скорее всего, — это единственное практическое решение до тех пор пока мы не изобретем что-то с гораздо большей плотностью энергии, чем литий-ионные аккумуляторы, возможно, перезаряжаемые металл-воздушные аккумуляторы. И хотя мы не сможем полностью заменить бензин и дизель на биотопливо, даже если полностью забудем об экономике (цифры по этому поводу см. на сайте www.withouthotair.com), если мы покроем 90% перевозок (в километрах, или тоннокилометрах) электричеством, мы можем производить достаточно биотоплива чтобы покрыть оставшиеся 10%, ПЛЮС все те другие виды транспорта, в которых в сейчас невозможно использовать аккумуляторы. Гораздо важнее избавиться от токсичных выхлопов в городах, чем на трассах, в море, или высоко над землей.
Очевидно, что использование водорода или электрохимии для уменьшения выбросов CO2 с целью получения жидких углеводородов значительно менее эффективно, чем сам водород [я не понимаю, что тут сказано — прим. перев.]. То же самое и с аммиаком, который кажется кому-то способом преодолеть некоторые недостатки водорода. Аммиак — ядовитый газ, и, опять же, производить его менее эффективно, чем водород. Мысль о заправке автомобилей аммиаком повергает меня в ужас, учитывая количество смертей, связанных с аммиаком в результате его использования в качестве хладагента и в сельском хозяйстве.
Так называемое «e-топливо» (e-fuel, power-to-liquid) — это, на самом деле, производная водородного топлива. Оно делается из углекислого газа, воды (продукт горения водорода), и электричества. При реверсе термодинамического процесса неизбежны потери. С учетом того, что потом мы используем это топливо в неэффективном ДВС, вся схема получается очень очень неэффективной.
Е-топливо — это способ использовать еще больше излишков энергии в тщетных попытках превратить водород в более эффективное (удобное) топливо. К сожалению, если мы не сможем производить достаточно биотоплива для того транспорта, в котором мы не можем использовать аккумуляторы, нам, возможно, придется сначала использовать топливные элементы, и только в самом крайнем случае — е-топливо. И мы будем горько плакать, глядя на его стоимость.
Настоящее будущее «зеленого» водорода
Сейчас более 96% водорода производится из ископаемого топлива либо целенаправленно (паровая или автотермальная конверсия метана), либо как побочный продукт при производстве нефти. Мы должны научиться производить водород очень эффективно из возобновляемого электричества, но не тратить его как автомобильное топливо, а использовать при производстве удобрений: аммиака и мочевины. Нам придется избавиться от гигантской инфраструктуры по производству и доставке углеводородов.
Дисклеймер [от автора статьи, не переводчика]: все что я пишу в своих статьях — это мое личное мнение. Я пытаюсь всегда приводить ссылки на источники, когда могу. Скорее всего, в моих цифрах и рассуждениях есть ошибки. Я заранее извиняюсь за них. Если вы можете указать мне на них со ссылкой на хороший источник, я отвечу и исправлю текст. Мой работодатель, Zeton Inc., работает в совсем другой области, и не имеет ни интереса, ни даже позиции по поводу водорода. Мы проектируем и строим пилотные установки.
Как перевести двс на водород
Водородные мечты человечества: от прошлого к будущему
Водород в наши дни нередко называют универсальной основой энерготехнологий будущего, однако первой реализованной идее использовать водород в качестве топлива уже больше двух столетий, а в ХХ веке транспортные средства на водороде передвигались и по земле, и по воде, и по воздуху, и даже в безвоздушном пространстве. Рассказываем, как появлялись и развивались водородные технологии и почему человечество до сих пор не научилось использовать все их возможности.
Отцы технологий
В 1807 году франко-швейцарский изобретатель Франсуа Исаак де Риваз, которого называют отцом первого поршневого двигателя внутреннего сгорания, изобрел четырехколесное транспортное средство, которое приводилось в движение благодаря водороду и кислороду. А «родителем» водородной энергетики считается англичанин Уильям Сесил. В 1820 году он представил Кембриджскому философскому обществу работу, в которой описал свой водородный двигатель. Согласно объяснению Сесила, движение вызывалось давлением атмосферы на вакуум, который образуется в результате взрывов при взаимодействии водорода и атмосферного воздуха. Водород был в основе и прототипа топливного элемента, концепцию которого в 1842 году предложил англичанин Уильям Гроув, который был судьей и одновременно ученым.
Еще в начале XIX века британские ученые Уильям Николсон и Энтони Карлайл предложили использовать электричество, чтобы превращать воду в водород и кислород. Впоследствии Гроув решил повернуть этот процесс в обратную сторону. Погрузив электроды из платиновой фольги в стеклянные трубки с водородом и кислородом, находящиеся в ванночке с серной кислотой, он собрал несколько таких ячеек и получил газовую гальваническую батарею.
И хотя концепция топливного элемента была описана немцем Кристианом Фридрихом Шёнбейном еще в 1839 году, свое название (fuel cell) он получил лишь в 1889 году. Тогда работавший в Великобритании химик немецкого происхождения Людвиг Монд и его ассистент Карл Лангер разработали устройство, которое давало гораздо больше электричества, чем изобретение Гроува, и служило дольше. Качественно улучшить характеристики топливного элемента удалось благодаря использованию электродов из тонкой перфорированной платины и полутвердых электролитов.
Предсказание Жюля Верна
Главным же «пиарщиком» водородной энергетики можно назвать Жюля Верна, который в своем романе «Таинственный остров» устами главного героя провозгласил, что в будущем вода станет топливом. «Придет день, когда котлы паровозов, пароходов и тендеры локомотивов будут вместо угля нагружены сжатыми газами, и они станут гореть в топках с огромной энергией. Пока на Земле живут люди, они будут обеспечены всем, и им не придется терпеть недостатка в свете, тепле и продуктах животного, растительного или минерального царства. Повторяю, я думаю, что, когда истощатся залежи каменного угля, человечество будет отапливаться и греться водой. Вода — уголь будущего», — уверял выдуманный писателем-фантастом инженер Сайрес Смит. Уголь пока не удалось заменить водой, но до сих пор рассуждения о водородной энергетике связывают с надеждами на лучшее, во всяком случае с экологической точки зрения, будущее.
«Лошадиное» авто
В 1860 году бельгийский изобретатель Жан Жозеф Этьен Ленуар запатентовал собственный двигатель внутреннего сгорания и разработал трехколесный автомобиль, который приводился в движение таким двигателем — одноцилиндровым, мощностью в полторы лошадиные силы. Двигатель работал на водороде, полученном из воды с помощью электролиза.
Поскольку машина постоянно нуждалась в воде, ее по аналогии с лошадью назвали гиппомобилем. В 1862 году гиппомобиль был подвергнут тест-драйву, он проехал 18 км от Парижа до Жуанвиля почти за три часа, что по тем меркам было довольно хорошим результатом. В ХХ веке Ленуара назвали человеком, опередившим свое время на сто лет.
Ниагара как источник вдохновения
Новый всплеск интереса к водороду как источнику энергии пришелся на начало 1900-х. В Канаде пионером в развитии водородных технологий стал Александр Томас Стюарт, выпускник Университета Торонто, специализировавшийся в химии и минералогии. Еще во время практики в университете он работал на электрохимическом заводе на водопаде Ниагара. Стюарт догадался, что, используя излишки электричества, можно осуществлять электролиз воды и производить водород и кислород.
В 1913 году он разработал систему электролиза, которая впоследствии больше века использовалась как одна из основных и получила название «электролизер Стюарта». В 1920-е годы ученый продолжал вести свои исследования, на основе которых была создана Stuart Oxygen Company. Кстати, ее подразделение в Сан-Франциско в 1930-е годы участвовало в получении экспериментальных объемов тяжелой воды для Манхэттенского проекта.
Мне бы в небо
В начале прошлого века водородные технологии пошли в небо — благодаря настойчивости и упорству немецкого графа Фердинанда фон Цеппелина, который во время поездки в Америку увидел аэростаты, поднялся на одном из них в небо и… навсегда полюбил летать. Всю оставшуюся жизнь он посвятил созданию дирижаблей.
Справедливости ради надо напомнить, что идея запустить в воздух шар, наполненный водородом, впервые появилась у французского профессора физики Жака Александра Сезара Шарля (в его честь такой шар был назван шарльером). Чтобы оболочка шара могла удержать водород, ее пропитали каучуком. Первое успешное испытание прошло 27 августа 1783 года в Париже на Марсовом поле.
Фон Цеппелин же в начале XX века не стал мелочиться и сразу приступил к созданию гигантских дирижаблей, которые получили его имя. Летом 1900 года цеппелин длиной 127 м впервые поднялся в небо. Это было над Боденским озером, посмотреть на запуск пришли толпы людей. Дирижабль оправдал их ожидания, продержавшись в воздухе 18 минут.
После этого была создана компания по производству цеппелинов и первая в мире пассажирская транспортная компания «Германские дирижабли». Похожий на огромный кабачок дирижабль состоял из отсеков, где находился водород, необходимый для подъема. Внутри обтянутого тканью корпуса или под ним была расположена гондола, где размещался экипаж с пассажирами.
В 1928 году был построен самый совершенный на тот момент дирижабль «Граф Цеппелин». Его длина составляла уже почти 237 м, а мощность силовой установки, состоящей из пяти двигателей «Майбах», достигала 2650 лошадиных сил. На следующий год он совершил кругосветное путешествие из Лейкхерста (США) за 21 день и произвел настоящий фурор во Фридрихсхафене, Токио и Лос-Анджелесе, где он приземлялся. За девять лет службы «Граф Цеппелин» совершил 590 рейсов общей протяженностью почти 1,7 млн км.
Осенью 1930 года «Граф Цеппелин» побывал в Москве. А летом 1931 года провел аэрофотосъемку советской Арктики. По случайному совпадению именно там, где пролетал цеппелин, во время Великой Отечественной войны немцами была проведена секретная операция — развернута полярная станция на одном из островов архипелага Земля Франца-Иосифа.
К весне 1936 года был построен дирижабль «Гинденбург», длина которого достигала 245 м. Чуть более года спустя, в мае 1937-го, при приземлении в Лейкхерсте на борту «Гинденбурга» начался пожар и произошел взрыв водорода, который привел к гибели 36 человек (с учетом одного погибшего на земле). Это стало громким концом эпохи дирижаблей.
Тем не менее концом эпохи водорода эта трагедия не обернулась. В 1939 году немецкий инженер Рудольф Эррен получил в США патент на двигатель внутреннего сгорания, в котором в качестве топлива использовался водород. С 1920-х годов он работал над тем, чтобы перевести ДВС автобусов, грузовиков и подлодок на водород. Именно он впервые применил в ДВС, использующих водород, внутреннее смесеобразование, что снижало риск обратной вспышки, то есть взрывоопасность при работе двигателя. Сохранение системы подачи основного вида топлива позволяло использовать двигатель в комбинированном режиме.
На военной службе
Применение водорода бывало и вынужденной мерой. Так, осенью 1941 года в блокадном Ленинграде изобретатель, а на время войны автотехник 3-го полка аэростатов заграждения второго корпуса ПВО Борис Шелищ придумал, как в условиях отсутствия бензина заставить работать двигатели грузовых автомобилей ГАЗ-АА на водороде после его использования в аэростатах. По воспоминаниям Шелища, на эту мысль его натолкнул Жюль Верн. Установленные на ГАЗ-АА лебедки были задействованы в подъеме и спуске аэростатов, которые служили помехой для немецких самолетов и использовались для воздушной разведки. Предложение Шелища нашло поддержку, после испытания все городские лебедки было решено перевести на водород. В конце 1941 года Шелища наградили орденом Красной Звезды, а в 1942 году отправили в Москву передавать опыт. Всего в СССР в годы войны на водород были переведены более 400 автомобильных двигателей.
Также во время Второй мировой войны водород был востребован как топливо для подводных лодок и торпед. В Австралии, оказавшейся из-за военных действий в Европе без нефти, была запущена программа крупномасштабного производства водорода для использования в качестве моторного топлива.
Медленно, но верно
С окончанием войны и снижением цен на нефть водородная тематика перестала быть востребованной. Однако к 1970-м годам, когда после создания ОПЕК цены на нефть снова стали расти, про водород как источник энергии вновь вспомнили во многих странах мира. Кроме того, уже тогда одной из существенных проблем для больших городов стало загрязнение воздуха выхлопами от транспорта.
Австрийский химик и изобретатель Карл Кордеш, переехавший в США, в 1970 году установил на своем четырехместном автомобиле Austin A40 водородо-кислородный щелочной топливный элемент мощностью 6 кВт, запас хода которого превышал 280 км. Впоследствии предложенная Кордешем конструкция была использована в электромобиле General Motors. Единичные версии автомобилей, работающих полностью или частично на водороде, неизменно привлекали большое внимание. В 1972 году в Мичигане был представлен модифицированный Volkswagen Beetle — Brigham Young Superbeetle. В 1979 году был выпущен работающий на водороде или бензине BMW 520h. В 1984 году Mercedes представил десятиместный минивэн TN 310 с ДВС, работающим на сжиженном водороде.
В 1974 году была создана Международная ассоциация водородной энергетики, которая объединила ученых, конструкторов и управленцев, занимающихся развитием водородных технологий. Членом ассоциации стал и Советский Союз, где основные работы в этой области осуществлялись под эгидой Комиссии Академии наук СССР по водородной энергетике и при непосредственном участии Института атомной энергии им. И. В. Курчатова.
В том же году в Японии началась реализации проекта по альтернативной энергетике Sunshine, пятую долю финансирования в котором — 3,6 млрд долларов из 15 млрд — занимала водородная энергетика. Программа была рассчитана до 2000 года.
А в США в конце 1980-х в силу достаточно быстрого разочарования (из-за отсутствия мгновенных результатов) бюджет программ по исследованию возобновляемых источников энергии, включая водород, был сокращен на 80% администрацией президента Рональда Рейгана. Но это не повлияло на разработки для космоса: для выведения Space Shuttle на орбиту использовался водород и кислород.
«Волга» на водороде
В СССР в 1970-е годы активно исследовали возможности внедрения водородного топлива в таких областях, как автотранспорт, энергетика, авиация, ракетостроение.
В исследовательских целях на водород переводили разные модели, которые выпускал советский автопром, — «Волгу», «Москвич», «Жигули», ЗИЛ-130, а также микроавтобусы РАФ и УАЗ. Совместная разработка НПО «Квант» и Рижской автобусной фабрики — микроавтобус «Квант-РАФ» с топливным водородо-воздушным элементом мощностью 2 кВт и никель-цинковым аккумулятором — была представлена в 1982 году на Международной выставке «Электро-82» в Москве.
С 1980 года в Харькове проходили опытную эксплуатацию бензоводородные «Волги». Выяснилось, что при содержании водорода в топливной смеси на уровне 5% расход бензина снижается на 35–40%, сокращая токсичность выбросов. В 1986 году Минавтопром принял решение о создании 200 экспериментальных РАФов на бензоводородных смесях для опытной эксплуатации в качестве городского транспорта. Однако в силу известных исторических событий этим планам было не суждено сбыться.
Тем не менее в нашей стране, как и за рубежом, был заложен фундамент технологий по использованию водорода. В ракетно-космической промышленности был создан масштабный проект «Буран — Энергия» с первой советской ракетой-носителем, использующей криогенное горючее (водород) на маршевой ступени.
С 1980 года в СССР развивали проект водородного самолета. Один из трех двигателей летающей лаборатории — самолета Ту-155, совершившего первый полет в 1988 году, — мог работать на сжиженном водороде. Но затем его перевели на сжиженный природный газ.
В чем сила?
Преимущества водорода позволяют ему вот уже два века держаться в шорт-листе перспективных технологий. Первый и главный плюс — распространенность этого химического элемента.
Водород химически активен, при этом выбросы при его использовании в качестве топлива абсолютно безвредны. Водород считается идеальным источником энергии для топливных элементов: он легко подводится, а продукт реакции (вода) легко отводится из топливного элемента. Кроме того, он обладает высокой энергоэффективностью и почти в три раза большей энергоемкостью, чем традиционное топливо из ископаемых источников.
А создание баллонов высокого давления, в том числе композитных, решило давнюю проблему хранения водорода — в таких резервуарах его можно хранить в виде сжатого газа, экономя объем.
Непростым путем
В конце 1990-х — начале 2000-х водород вновь вошел в моду. Многие мировые автомобильные гиганты представили свои модели на водороде: Renault Fever, BMW 728hL и 750hL, Ford P2000 FC и различные модификации Honda FCX. В России в результате сотрудничества «АвтоВАЗа» и Уральского электрохимического комбината были созданы два концепт-кара с электрохимическими генераторами вместо двигателя внутреннего сгорания. В 2001 году на базе удлиненного автомобиля «Нива» сделали водородный АНТЭЛ-1, а спустя два года — АНТЭЛ-2 на базе ВАЗ-2111.
В 1999 году в Гамбурге открылась первая в Европе общедоступная водородная заправка. В 2013 году был выпущен водородный гибридный автомобиль на топливных элементах Toyota Mirai, который тут же окрестили автомобилем будущего.
Из последних разработок в этой области в России можно назвать водородный автомобиль Aurus Senat, представленный в октябре 2021 года ФГУП «НАМИ». Его пробег от заправки до заправки составляет около 700 км. Однако развитие водородного автотранспорта в нашей стране сдерживается в том числе отсутствием инфраструктуры: по состоянию на 2022 год в России работали всего три водородных заправки — одна в Москве и две в Подмосковье. В Казанском государственном энергетическом университете пока только проектируется первая российская водородная заправочная станция из отечественных комплектующих. В мире ситуация лучше, но количество водородных заправок все еще несопоставимо меньше по сравнению с бензиновыми и электрическими.
Но не водородомобилями едиными: о развитии железнодорожного водородного транспорта в последние годы заговорили в Японии, Франции, Италии, Китае, Индии, России. В Германии первая в мире железнодорожная линия с водородными поездами работает с 2022 года. Летом текущего года первый поезд на водороде был запущен в Канаде. 1 кг водородного топлива, используемого поездом, заменяет 4,5 кг дизельного топлива. Однако, как обратили внимание журналисты, для транспортировки водорода к месту заправки поезда пока используется грузовик с дизельным двигателем.
Затишье перед бумом?
Планы по развитию водородных технологий за последние годы почти стали синонимом ответственного отношения к будущим поколениям. Однако стало понятно, что ответственность должна распространяться на все стадии топливного цикла и, в случае с водородом, на способы его производства. Процесс получения водорода требует большого количества энергии, а наиболее экономически эффективные и наиболее распространенные на сегодняшний день технологии производства водорода используют ископаемое топливо, что не соответствует зеленым целям.
Как несложно догадаться, зеленый водород получают с применением возобновляемых источников энергии методом электролиза, однако пока его доля в общем объеме производства составляет лишь несколько процентов, так как остается нерешенной проблема высокой стоимости водорода, вырабатываемого с использованием ВИЭ.
Складывается ощущение, что в последнее время бурные и порой спекулятивные рассуждения на тему перспектив водородной энергетики несколько поутихли. Однако это затишье лишь в медиа, а в кабинетах ученых и конструкторов кипит работа, которая обязательно приведет к прорыву. И тогда водород не просто займет место угля, как в романе Жюля Верна, а станет большой и важной частью надежной мировой энергосистемы.
Взгляд в будущее
От поиска природных источников до новых способов производства, от грузовых автомобилей и спецтехники до самолетов: рассказываем, над какими проектами, связанными с чистыми водородными технологиями, геологи, инженеры, ученые в разных странах мира работают прямо сейчас.
Белым-бело
46 млн тонн — таковы предположительные запасы природного, или белого, водорода в Лотарингии (Франция), что эквивалентно половине нынешнего мирового производства. Это «месторождение» было обнаружено в мае 2023 года при проверке заброшенных шахт.
Природный водород естественным образом присутствует в земной коре и мантии, наша планета постоянно производит его посредством химических реакций, в основном связанных с окислением минералов двухвалентного железа. Его извлечение не требует больших затрат энергии и воды, и он даже может стать возобновляемым ресурсом, если скорость добычи будет соотнесена со скоростью его образования. Все эти преимущества делают природный водород гораздо более дешевым ресурсом, чем водород, получаемый методом электролиза.
Водородную скважину с 2014 года эксплуатирует Мали, буровые работы сейчас ведутся в Небраске (США), интерес к этой сфере проявляют Намибия, Бразилия, Канада. Предполагается, что такие ресурсы существуют и во многих странах Европы, в том числе в России.
Чисто и приятно
630 км смог проехать на одной заправке грузовой автомобиль на водородных топливных элементах. Демонстрационные грузовики британской компании First Hydrogen прошли успешные испытания. Водители отметили, что новый автомобиль тихий, плавный и приятный в управлении, а загрузка машины не влияла заметно на скорость, запас хода и работу топливных элементов. Производитель ждет зимних испытаний: ожидается, что использование водорода при низких температурах будет иметь преимущества перед другими технологиями с нулевым уровнем выбросов.
Для владельцев легковых машин выгоды топливных ячеек по сравнению с электроаккумуляторами пока не очевидны, но производители грузового транспорта уделяют водороду все больше внимания. Корейский Hyundai также вышел на этот рынок, выпустив грузовик Xcient Hydrogen в мае 2023 года. Toyota заявляет, что к 2026 году выпустит топливные элементы следующего поколения, которые будут на 50% дешевле нынешних, но при этом обеспечат увеличение запаса хода на 20%. Также японская компания планирует производить в Таиланде зеленый водород на электролизном оборудовании собственной разработки, используя биогаз, получаемый из куриного помета и пищевых отходов.
Экскаваторам и погрузчикам не нужно развивать большую скорость на дороге, но им требуется огромное количество энергии — для добычи камня в карьерах или выемки грунта на строительных площадках. Для таких задач электроаккумуляторы не всегда подходят: обычно спецтехника работает 24 часа в сутки, и быстро подзарядить гигантскую батарею 20-тонного экскаватора глубоко в карьере невозможно, а прерываться на много часов — нецелесообразно. Предсерийные машины британского производителя JCB, оснащенные водородными двигателями внутреннего сгорания, заправляются всего за несколько минут, при этом обеспечиваются точно такие же мощность, крутящий момент и производительность, что у дизельного двигателя, но без выбросов углерода.
Крылатый водород
4 часа потребуется, чтобы долететь из Америки в Австралию, вместо 17 часов сегодня. Швейцарский стартап Destinus разрабатывает гиперзвуковой пассажирский реактивный самолет с водородным двигателем. В конце 2022 года компания объявила об успешных испытательных полетах первого прототипа Eiger. Второй прототип с новой силовой водородной установкой должен быть готов к концу текущего года. По заявлениям компании, первые коммерческие межконтинентальные рейсы самолета с грузоподъемностью в 1 тонну запланированы на 2025 год, а к 2029-му самолеты будут иметь полезную нагрузку 100 тонн. Есть и другие компании, занимающиеся водородным авиастроением. Например, стартап Universal Hydrogen из Лос-Анджелеса успешно завершил 15-минутный испытательный полет своего самолета с водородным двигателем в марте 2023 года.
Научиться у природы
90% — так оценили исследователи эффективность нового процесса получения водорода. Ученые из Тель-Авивского университета (Израиль) воспользовались свойствами некоторых микроорганизмов, чьи ферменты умеют производить водород, получая энергию в процессе фотосинтеза. Гель на водной основе (причем использоваться может морская вода) в эксперименте использовался для прикрепления фермента к биокатализатору и электроду, который давал энергию вместо солнца. Высокая стоимость зеленого водорода обусловлена в том числе применением в конструкции электролизеров редких и драгоценных металлов, например платины, а также необходимостью использовать дистиллированную воду. Если метод, предложенный израильскими учеными, окажется успешным в промышленном масштабе, он даст возможность существенно снизить стоимость экологически чистого водорода.
Самый дешевый
73% стоимости производства зеленого водорода составляет сегодня стоимость электроэнергии. Но компания NewHydrogen, сотрудничающая с Калифорнийским университетом, анонсировала разработку технологии производства самого дешевого в мире чистого водорода — с использованием промышленного тепла (менее 1000 °С) вместо электричества. Технология основывается на применении каталитической жидкости, которую можно восстанавливать в одной камере, окислять в другой камере, постоянно перерабатывать и использовать повторно. Требуемые ресурсы — только тепло и вода. Компания заявляет, что разрабатываемая технология ThermoLoop потенциально может изменить всю водородную промышленность, резко снизив стоимость зеленого водорода за счет использования дешевого или бесплатного тепла, в том числе образующегося при осуществлении таких промышленных процессов, как производство стали, стекла, керамики и многих других, а также при работе АЭС.